尤 波，滕 坤

(1.上海地礦工程勘察有限公司，上海 200000；2.常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，常州 213000)

軟土地區(qū)SMW工法樁基坑支護(hù)應(yīng)用研究

尤 波1，滕 坤2

(1.上海地礦工程勘察有限公司，上海 200000；2.常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，常州 213000)

針對(duì)軟土地區(qū)深基坑支護(hù)的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例，介紹了SMW工法樁在實(shí)際工程中的應(yīng)用，采用PLAXIS有限元軟件分析基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物、管線的影響。結(jié)果表明：SMW工法樁結(jié)合水平內(nèi)支撐的圍護(hù)形式對(duì)于面積不大，挖深較淺，地下結(jié)構(gòu)工期較短，無(wú)條件選擇懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程具有重要的參考價(jià)值，采用PLAXIS有限元模擬分析基坑開(kāi)挖是一種行之有效的方法。

基坑支護(hù)； SMW工法樁； PLAXIS有限元

近年來(lái)，隨著我國(guó)高層建筑地下車庫(kù)、地鐵、隧道等市政工程大規(guī)模建設(shè)，我國(guó)的基坑支護(hù)技術(shù)也得到很大的發(fā)展。其中軟土地區(qū)由于存在淤泥質(zhì)粘土層和淤泥質(zhì)粉土層，淤泥土強(qiáng)度低，壓縮性大，滲透性差，土層分布不均勻，另外還多有古河道、明暗浜等不良地質(zhì)條件分布[1]，給軟土地區(qū)基坑工程的施工造成了很大的困難，同時(shí)基坑支護(hù)工程造價(jià)也大幅提高。對(duì)于面積不大，挖深較淺，地下結(jié)構(gòu)工期較短的工程，可考慮采用SMW工法樁結(jié)合內(nèi)支撐的形式進(jìn)行支護(hù)[2]。

SMW工法又稱型鋼水泥土攪拌墻工法，是一種復(fù)合擋土墻隔水結(jié)構(gòu)，采用型鋼插入到連續(xù)套接的三軸水泥攪拌樁內(nèi)，形成的具有較高隔水性的水泥土柱列式擋墻[3]。該圍護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了水泥和型鋼的力學(xué)性能，同時(shí)具備受力與隔水的功能。

SMW工法具有占用空間小、成樁速度快、工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小、防滲性能好、施工場(chǎng)地占用小、型鋼可回收，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)大量應(yīng)用于我國(guó)上海、江蘇、浙江、天津等沿海軟土地區(qū)的地下空間開(kāi)發(fā)。

土方開(kāi)挖是基坑工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，由于地下工程的復(fù)雜性及不確定性，分析基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響一直是基坑工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。常規(guī)的分析方法很難反映各因素對(duì)基坑的影響，而采用PLAXIS有限元方法模擬基坑開(kāi)挖[4]，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物的變形與基坑實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)吻合。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

1.1.1 環(huán)境概況

基坑?xùn)|側(cè)為兩棟已建成3～4層辦公樓，其中東側(cè)北段3F辦公樓有地下一層車庫(kù)，距離東側(cè)基坑邊線約為18.10 m，基礎(chǔ)采用樁-承臺(tái)-筏板基礎(chǔ)，工程樁采用預(yù)制鋼筋混凝土方樁，有效樁長(zhǎng)為22.5～24.0 m。東側(cè)南段為4F辦公樓，無(wú)地下室，該辦公樓與東側(cè)基坑邊線的最近距離約為12.5 m，辦公樓采用預(yù)制鋼筋混凝土方樁基礎(chǔ)，其中工程樁為250 mm×250 mm方樁，有效樁長(zhǎng)24 m；基坑南側(cè)為自來(lái)水公司，自來(lái)水公司與基坑中間道路下有直徑900 mm的原水管，原水管埋深約2.50 m左右，原水管距離南側(cè)基坑邊線約9.3 m；基坑西側(cè)有一個(gè)地面停車場(chǎng)，停車場(chǎng)下有兩條原水管，距離西側(cè)基坑最近的原水管到西側(cè)基坑邊線的距離約為16.1 m，北側(cè)紅線外為市政道路，道路下有雨水管、燃?xì)夤?、給水管和地埋電纜等多條市政管線經(jīng)過(guò)，且最近的光纜線與地下室邊線的最近距離約為4.4 m。基坑與周邊環(huán)境關(guān)系見(jiàn)圖1。

1.2 地質(zhì)水文概況

上海某工程基坑，場(chǎng)地地勢(shì)平坦，地貌類型屬湖沼Ⅰ-2區(qū)平原地貌。地基土主要由淺層填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土和粉砂等構(gòu)成。

工程場(chǎng)地淺層地下水主要為孔隙潛水，其主要賦存在①、②、③、④層土中。場(chǎng)地內(nèi)靜止地下水埋深1.70～2.10 m。地下水位變化主要受大氣降水、地面蒸發(fā)控制。場(chǎng)地土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

1.3 基坑概況

本工程基坑面積約為3 900 m2，總延長(zhǎng)米約為260 m?；悠毡閰^(qū)域基坑開(kāi)挖深度為5.15 m，承臺(tái)區(qū)域挖深為6.05 m?；影踩燃?jí)為三級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)普遍側(cè)為三級(jí)，北側(cè)為二級(jí)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案選型

由于基坑周邊分布有多條市政管線，尤其是北側(cè)管線較多，且與基坑的距離較近，基坑?xùn)|側(cè)有兩棟辦公樓，且距離基坑較近，北側(cè)管線和東側(cè)辦公樓是本工程重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。在考慮工程造價(jià)、工期、施工操作的同時(shí)，需要嚴(yán)格控制基坑與地下室施工過(guò)程中產(chǎn)生的變形，降低對(duì)周邊道路、管線、建筑物的影響，確保整個(gè)工程順利實(shí)施。

綜合以上因素，本基坑宜選用控制基坑變形效果較好的板式支護(hù)體系，其中SMW工法樁結(jié)合鋼管支撐的圍護(hù)體系對(duì)于本工程基坑，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性上，還是從節(jié)約工期的角度都明顯優(yōu)于灌注樁結(jié)合混凝土支撐的圍護(hù)體系。故本工程支護(hù)方案采用SMW工法樁結(jié)合一道鋼管支撐。

2.2 圍護(hù)體系

地庫(kù)區(qū)域圍護(hù)體系采用φ650@450三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H500×300×11×18@900型鋼。其中，普遍側(cè)型鋼采用“插一跳一”的布置形式，型鋼有效樁長(zhǎng)12.0 m，承臺(tái)側(cè)和集水坑側(cè)采用“插二挑一”的布置形式，型鋼有效長(zhǎng)度13.5 m。南側(cè)汽車坡道采用重力壩的形式進(jìn)行圍護(hù)，東側(cè)連通道采用拉森鋼板樁結(jié)合型鋼支撐的形式進(jìn)行圍護(hù)。

2.3 支撐體系

基坑設(shè)置一道φ609×16鋼管支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的壓頂梁兼作鋼支撐圍檁。鋼管連接處采用十字接頭連接，端部設(shè)置可施加預(yù)應(yīng)力的活絡(luò)頭子。十字對(duì)撐間距為9.50 m，并在基坑角部設(shè)置角撐。

3 有限元分析

3.1 分析模型

采用限元分析軟件Plaxis進(jìn)行基坑開(kāi)挖過(guò)程的有限元數(shù)值模擬。取基坑的典型剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖卸載的變形。有限元數(shù)值計(jì)算中,土體采用Hardening-Soil(簡(jiǎn)稱HS模型)高級(jí)土體彈塑性模型，該模型可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。HS模型應(yīng)用于基坑開(kāi)挖分析時(shí)具有較好的精度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，同時(shí)采用Goodman接觸單元考慮了土體和圍護(hù)體之間的相互作用，接觸面單元切線方向服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。用一個(gè)折減系數(shù)Rinter來(lái)描述接觸面強(qiáng)度參數(shù)與所在土層的摩擦角和粘聚力之間的關(guān)系，模擬接觸面的強(qiáng)度參數(shù)較低的特性。采用等三角形15節(jié)點(diǎn)平面單元對(duì)土體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

主要施工模擬工況：計(jì)算土體初始應(yīng)力場(chǎng)→施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)→開(kāi)挖表層土，架設(shè)鋼管支撐→開(kāi)挖至基底。

3.2 模型計(jì)算結(jié)果

3.2.1 北側(cè)管線

由SMW工法樁變形圖可知，由于工法樁頂部有鋼管支撐的約束作用，其頂部位移較小?；娱_(kāi)挖至基坑底時(shí)，工法樁上鋼管支撐與基底之間部位受坑外土壓力作用，樁身側(cè)移隨深度的增大逐漸增大，且坑底位置附近，圍護(hù)樁的側(cè)移達(dá)到最大值18.25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，北側(cè)電纜管和供水管均向基坑側(cè)斜下方產(chǎn)生位移，最大位移分別為15.82 mm和13.23 mm。說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)北側(cè)管線均有一定的影響，但管線位移均在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)，不影響管線的正常使用。

3.2.2 東側(cè)辦公樓

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，東側(cè)圍護(hù)樁最大側(cè)移也發(fā)生在坑底部位，約為14.48 mm。由于東側(cè)工法樁的型鋼采用“插二跳一”的布置形式，其剛度得到增強(qiáng)，故與型鋼“插一跳一”的布置形式相比，東側(cè)圍護(hù)樁整體側(cè)向變形相對(duì)均勻，變形也相對(duì)較小。

基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，東側(cè)辦公樓自身由于有工程樁，且受坑外土體向基坑側(cè)沉降影響，辦公樓發(fā)生微小沉降，約10.32 mm，沉降在控制范圍之內(nèi)，不影響辦公樓的正常使用。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，北側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向變形最大約20.8 mm，基坑北側(cè)電纜管位移最大約為13.6 mm，供水管位移最大約為10.4 mm。東側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向變形最大約15.5 mm，東側(cè)辦公樓最大沉降約為8.5 mm。

綜上，本工程圍護(hù)樁、周邊建筑物及管線的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果均與有限元模擬結(jié)果相對(duì)吻合，且在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。說(shuō)明采用PLAXIS有限元軟件分析基坑開(kāi)挖對(duì)基坑圍護(hù)體及周邊環(huán)境的影響效果較好，其模擬結(jié)果可供實(shí)際工程參考。

5 結(jié) 論

a.SMW工法樁結(jié)合鋼支撐的圍護(hù)體系對(duì)于開(kāi)挖面積小，挖深相對(duì)較淺，且無(wú)法采用懸臂式圍護(hù)體系的基坑而言，與灌注樁結(jié)合混凝土支撐體系相比，在經(jīng)濟(jì)性、施工便利性和縮短工期等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

b.PLAXIS有限元軟件模擬基坑分步開(kāi)挖過(guò)程得出的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)吻合，用來(lái)分析基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍護(hù)樁及周邊環(huán)境的影響效果較好。

c.本工程基坑采用SWM工法樁結(jié)合一道鋼支撐的圍護(hù)體系，在控制基坑變形和保護(hù)周邊管線及建筑物方面收到了很好的效果，對(duì)軟土地區(qū)地下一層基坑設(shè)計(jì)和施工有很好的參考價(jià)值。

[1] 秦夏強(qiáng).軟土地基大型復(fù)雜基坑工程設(shè)計(jì)與施工[J],巖土工程學(xué)報(bào)(增刊), 2006, 28(11):1628-1632.

[2] 梅英寶,范慶國(guó),胡玉銀.SMW工法在軟土地區(qū)的應(yīng)用 [J].施工技術(shù), 2006, 35(7): 33-35.

[3] 章兆熊,李星,謝兆良,李進(jìn)軍.超深三軸水泥土攪拌樁技術(shù)及在深基坑工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)(增刊), 2010, 32(8):383-386.

[4] 劉 霽,賀 晨.基于PLAXIS基坑圍護(hù)樁水平位移特性的分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(8):142-146.

Application Research of Excavation Supporting with SMW Method Pile in Soft Soil Area

YOU Bo1，TENG Kun2

(1.Shanghai Geological & Mineral Engineering Investigation Co, Ltd, Shanghai 200000, China;2.Changzhou Architectural Research Institute Co,Ltd,Changzhou 213000,China)

Considering the supporting characteristics of deep excavation in soft soil, combined with practical engineering, this article described applications of the SMW pile method and analyzed the impacts on the supporting structure, surrounding buildings and pipelines with finite element software-PLAXIS.The results show that the SMW pile method combined with the horizontal supporting has important reference values in excavation engineering with small area, shallower deepening, shorter duration for underground structure and cantilevered retaining structure chosen unconditionally, and the Finite Element software-PLAXIS is an effective method for analyzing the excavation.

excavation; SMW method of pile; PLAXIS finite element

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.015

2015-03-06.

尤波(1986-)，碩士.E-mail:724773534@qq.com